Variazione strutturale - Structural variation
La variazione strutturale genomica è la variazione nella struttura del cromosoma di un organismo . Consiste in molti tipi di variazione nel genoma di una specie e di solito include tipi microscopici e submicroscopici , come delezioni, duplicazioni, varianti del numero di copie , inserzioni, inversioni e traslocazioni . Originariamente, una variazione della struttura colpisce una lunghezza della sequenza da 1kb a 3Mb, che è più grande degli SNP e più piccola dell'anomalia cromosomica (sebbene le definizioni si sovrappongano). Tuttavia, la gamma operativa delle varianti strutturali si è ampliata per includere eventi > 50 bp. La definizione di variazione strutturale non implica nulla sulla frequenza o sugli effetti fenotipici. Molte varianti strutturali sono associate a malattie genetiche , tuttavia molte non lo sono. Recenti ricerche sugli SV indicano che gli SV sono più difficili da rilevare rispetto agli SNP. Circa il 13% del genoma umano è definito come strutturalmente variante nella popolazione normale, e ci sono almeno 240 geni che esistono come polimorfismi di delezione omozigote nelle popolazioni umane, suggerendo che questi geni sono superflui negli esseri umani. Le prove che si accumulano rapidamente indicano che le variazioni strutturali possono comprendere milioni di nucleotidi di eterogeneità all'interno di ogni genoma e potrebbero dare un contributo importante alla diversità umana e alla suscettibilità alle malattie.
Variazione strutturale microscopica
Microscopico significa che può essere rilevato con microscopi ottici , come aneuploidie , marcatori cromosomici , riarrangiamenti grossolani e variazione delle dimensioni dei cromosomi. Si ritiene che la frequenza nella popolazione umana sia sottostimata a causa del fatto che alcuni di questi non sono effettivamente facili da identificare. Queste anomalie strutturali esistono in 1 ogni 375 nati vivi per presunte informazioni.
Variazione strutturale submicroscopica
Le varianti strutturali submicroscopiche sono molto più difficili da rilevare a causa delle loro piccole dimensioni. Il primo studio del 2004 che ha utilizzato microarray di DNA potrebbe rilevare decine di loci genetici che mostravano variazioni del numero di copie , delezioni e duplicazioni , maggiori di 100 kilobasi nel genoma umano. Tuttavia, entro il 2015 gli studi sul sequenziamento dell'intero genoma potrebbero rilevare circa 5.000 varianti strutturali di appena 100 paia di basi che comprendono circa 20 megabasi in ogni singolo genoma. Queste varianti strutturali includono delezioni, duplicazioni in tandem, inversioni , inserimenti di elementi mobili . Il tasso di mutazione è anche molto più alto delle varianti strutturali microscopiche, stimato da due studi rispettivamente al 16% e al 20%, entrambi probabilmente sottostimati a causa delle difficoltà di rilevare con precisione le varianti strutturali. È stato anche dimostrato che la generazione di varianti strutturali spontanee aumenta significativamente la probabilità di generare ulteriori varianti spontanee di singoli nucleotidi o indel entro 100 kilobasi dall'evento di variazione strutturale.
Variazione del numero di copia
La variazione del numero di copie (CNV) è un'ampia categoria di variazione strutturale, che include inserimenti , eliminazioni e duplicazioni . In studi recenti, le variazioni del numero di copie vengono testate su persone che non hanno malattie genetiche, utilizzando metodi utilizzati per la genotipizzazione quantitativa di SNP. I risultati mostrano che il 28% delle regioni sospette negli individui contiene effettivamente variazioni del numero di copie. Inoltre, i CNV nel genoma umano influenzano più nucleotidi rispetto al polimorfismo a singolo nucleotide (SNP). È anche degno di nota che molti dei CNV non si trovano nelle regioni codificanti. Poiché le CNV sono solitamente causate da una ricombinazione ineguale , sequenze simili diffuse come LINE e SINE possono essere un meccanismo comune di creazione di CNV.
inversione
Sono note diverse inversioni correlate alla malattia umana. Ad esempio, l'inversione ricorrente di 400 kb nel gene del fattore VIII è una causa comune di emofilia A e inversioni più piccole che colpiscono l' idunorato 2-solfatasi (IDS) causeranno la sindrome di Hunter . Altri esempi includono la sindrome di Angelman e la sindrome di Sotos . Tuttavia, ricerche recenti mostrano che una persona può avere 56 inversioni presunte, quindi le inversioni non patologiche sono più comuni di quanto si supponesse in precedenza. Anche in questo studio viene indicato che i breakpoint di inversione sono comunemente associati alle duplicazioni segmentali. Un'inversione di 900 kb nel cromosoma 17 è in fase di selezione positiva e si prevede che aumenterà la sua frequenza nella popolazione europea.
Altre varianti strutturali
Possono verificarsi varianti strutturali più complesse che includono una combinazione di quanto sopra in un singolo evento. Il tipo più comune di variazione strutturale complessa sono le duplicazioni non tandem, in cui la sequenza viene duplicata e inserita con orientamento invertito o diretto in un'altra parte del genoma. Altre classi di varianti strutturali complesse includono delezione-inversione-delezioni, duplicazioni-inversione-duplicazioni e duplicazioni in tandem con delezioni nidificate. Ci sono anche traslocazioni criptiche e disomia uniparentale segmentale (UPD). Ci sono sempre più segnalazioni di queste variazioni, ma sono più difficili da rilevare rispetto alle variazioni tradizionali perché queste varianti sono bilanciate e i metodi basati su array o PCR non sono in grado di individuarle.
Variazioni strutturali e fenotipi
Si sospetta che alcune malattie genetiche siano causate da variazioni strutturali, ma la relazione non è molto certa. Non è plausibile dividere queste varianti in due classi come "normali" o "malattie", perché varierà anche l'output effettivo della stessa variante. Inoltre, alcune delle varianti sono effettivamente selezionate positivamente per (menzionato sopra). Una serie di studi ha dimostrato che le CNV spontanee ( de novo ) che distruggono i geni distruggono i geni circa quattro volte più frequentemente nell'autismo rispetto ai controlli e contribuiscono a circa il 5-10% dei casi. Anche le varianti ereditarie contribuiscono a circa il 5-10% dei casi di autismo.
Le variazioni strutturali hanno anche la loro funzione nella genetica delle popolazioni. Una frequenza diversa di una stessa variazione può essere utilizzata come marchio genetico per dedurre la relazione tra popolazioni in aree diverse. Un confronto completo tra la variazione strutturale umana e scimpanzé ha anche suggerito che alcuni di questi potrebbero essere fissati in una specie a causa della sua funzione adattativa. Esistono anche delezioni legate alla resistenza alla malaria e all'AIDS . Inoltre, si pensa che alcuni segmenti altamente variabili siano causati dal bilanciamento della selezione, ma ci sono anche studi contro questa ipotesi.
Database delle variazioni strutturali
Alcuni browser del genoma e database bioinformatici hanno un elenco di variazioni strutturali nel genoma umano con un'enfasi sui CNV e possono mostrarli nella pagina di navigazione del genoma, ad esempio, UCSC Genome Browser . Sotto la pagina che visualizza una parte del genoma, ci sono "Common Cell CNVs" e "Structural Var" che possono essere abilitati. Su NCBI, c'è una pagina speciale per la variazione strutturale. In quel sistema sono mostrate sia le coordinate "interne" che quelle "esterne"; entrambi non sono punti di interruzione effettivi, ma presunti intervalli minimi e massimi di sequenza interessati dalla variazione strutturale. I tipi sono classificati come inserzione, perdita, guadagno, inversione, LOH, evertita, transchr e UPD.
Metodi di rilevamento
Sono stati sviluppati nuovi metodi per analizzare la variazione strutturale genetica umana ad alte risoluzioni. I metodi utilizzati per testare il genoma sono in un modo mirato specifico o in un modo a livello di genoma. Per i test Genome wide, gli approcci di ibridazione genomica comparativa basati su array offrono le migliori scansioni genome wide per trovare nuove varianti del numero di copie. Queste tecniche utilizzano frammenti di DNA che sono etichettati da un genoma di interesse e sono ibridati, con un altro genoma etichettato in modo diverso, ad array individuati con frammenti di DNA clonati. Questo rivela differenze di numero di copie tra due genomi.
Per esami mirati del genoma, i migliori test per il controllo di aree specifiche del genoma sono principalmente basati sulla PCR. Il migliore dei metodi basati sulla PCR è la reazione a catena della polimerasi quantitativa in tempo reale (qPCR). Un approccio diverso consiste nel controllare in modo specifico alcune aree che circondano le duplicazioni segmentali note poiché di solito sono aree di variazione del numero di copie. Un metodo di genotipizzazione SNP che offre intensità di fluorescenza indipendenti per due alleli può essere utilizzato per indirizzare i nucleotidi tra due copie di una duplicazione segmentale. Da ciò si può osservare un aumento di intensità da uno degli alleli rispetto all'altro.
Con lo sviluppo della tecnologia di sequenziamento di nuova generazione (NGS), sono state riportate quattro classi di strategie per il rilevamento di varianti strutturali con dati NGS, ciascuna basata su modelli diagnostici di diverse classi di SV.
- I metodi read-depth o read-count presuppongono una distribuzione casuale (ad esempio la distribuzione di Poisson ) delle letture da una sequenza di lettura breve. La divergenza da questa distribuzione viene studiata per scoprire duplicazioni e delezioni. Le regioni con duplicazione mostreranno una profondità di lettura maggiore mentre quelle con cancellazione risulteranno in una profondità di lettura inferiore.
- I metodi di lettura divisa consentono il rilevamento di inserimenti (compresi gli inserimenti di elementi mobili ) e delezioni fino alla risoluzione di una singola coppia di basi. La presenza di un SV è identificata dall'allineamento discontinuo al genoma di riferimento. Uno spazio vuoto nella lettura indica un'eliminazione e nel riferimento un inserimento.
- I metodi a coppia di lettura esaminano la lunghezza e l'orientamento delle letture paired-end da dati di sequenziamento di lettura brevi. Ad esempio, leggere le coppie più distanti del previsto indicano un'eliminazione. Anche le traslocazioni, le inversioni e le duplicazioni in tandem possono essere scoperte utilizzando le coppie di lettura.
- L' assemblaggio di sequenze de novo può essere applicato con letture sufficientemente accurate. Mentre in pratica l'uso di questo metodo è limitato dalla lunghezza delle letture di sequenza, gli assiemi genomici basati sulla lettura lunga offrono la scoperta di variazioni strutturali per classi come gli inserimenti che sfuggono al rilevamento quando si utilizzano altri metodi.
